台积电与苹果 “对赌” 3nm 芯片，和三星决 “生死”

iPhone 15 和 iPhone 15 Pro 系列正式亮相，“超大杯” 的核心芯片 A17 Pro 成为今年的亮点之一。

A17 Pro 采用了台积电最新的 3nm 工艺（N3）制造，晶体管数量达到 190 亿，这是台积电 3nm 工艺首次应用在顶尖芯片上，而 3nm 工艺将比 5nm 工艺的晶体管密度多 70%、同等功耗下速度可提升 15%，或者同等速度下功耗降低 30%。

根据台积电的资料，其 3nm 节点可以分为 N3B、N3E、N3P、N3X 等，这里的 N3B 也就是 N3，而之所以做了这么多拆分，是因为台积电在不同的技术指标上进行了对应的优化。

尽管 A17 Pro 首发了 N3 工艺，但是它的诞生并非一帆风顺，首先是延期。有消息称苹果原计划是在 A16 上导入这一节点，换句话说 N3 首发整整晚了一年。另外，一度有消息称苹果一度计划放弃 N3，理由是其能效不达标，而台积电也有意放弃，猜测的理由是缺少核心客户，而事实也是如此，包括像 AMD、英伟达、联发科这些企业，也确实都转向了 N3E。

更为反常的是，就在新 iPhone 发布前，一则台积电和苹果签订的 “对赌” 协议将台积电推向了舆论的焦点。

协议规定，未来一年台积电 3nm 将只为苹果专用，如果生产的芯片中有不良的废片，将不再按业界惯例由客户（即苹果）埋单，而是由台积电自己消化。据估计，仅仅这一项就能为苹果节省几十亿美元的额外费用。

这次台积电的让步很不寻常，因为苹果将独占目前最先进的台积电的 3nm 工艺长达一年的时间，这将让苹果的产品更有竞争力。为何台积电肯打破惯例为苹果做出如此大的让步呢？

台积电为苹果代工生产芯片的历史可以追溯到 2014 年，苹果将 iPhone 6 上的 A8 自研芯片交给台积电代工。

彼时，苹果也在三星代工生产芯片，但因为双方的智能手机竞争、供应链安全等诸多原因，苹果将越来越多的芯片交给台积电生产。现在，苹果所有的芯片都由台积电代工，并成为了台积电最大的客户。

今年 6 月，苹果在发布头显 Vision Pro 的同时发布了两款高性能的芯片 M2 max 和 M2 ultra，采用台积电增强型 5nm 工艺制造。而更早的 M1 系列芯片也是由台积电（标准 5nm 工艺）加工。

近 10 年的磨合，从手机扩展到最前沿的 XR 设备，两家公司已经深度绑定，难以分割。

01 “废片” 与 260 亿元的难题

而此次台积电为苹果打破惯例的做法，让业界深感意外。有人说台积电已被苹果精准 “拿捏”：如果不签这个协议，有可能失去这家占台积电营收 1/4 的大客户的订单，没有哪个客户会像苹果那样能对顶尖芯片下如此大的订单。而如果签了，A17 Pro 芯片将成为台积电自己手中的 “烫手山芋”！

接下来我们会重点的讲一讲为什么 A17 Pro 会成为 “烫手的山芋”，台积电又将如何来解决这个问题。

这要回到半导体制造业的一个基本概念：良率，即一整片加工出来的晶圆上能正常工作的芯片的占比。一块晶圆片上可以同时制造数百颗同样的裸芯片，之后将晶圆片上的裸芯片切割开来，封装后安装到电子产品上。

根据业界惯例，晶圆上的不良芯片将由客户买单，制造厂并不承担这笔费用。但客户也并非完全承担损失，因为有些不良芯片并非完全坏掉了，而只是无法发挥 100% 的设计性能。只需降低芯片工作频率，其中一部分不良芯片还是可以在低端产品上继续使用的，这样客户也会挽回一部分损失。

一般来说，半导体制造业在加工成熟工艺时，良率能达到 99% 以上。业内有消息称，这次台积电为苹果 iPhone15 制造的 A17 Pro 芯片良率很低，仅达到了 70-80%，换句话说，台积电要为 20%-30% 的不良芯片买单，我们可以大概算一笔账，看看台积电要花费多少冤枉钱。

每片 3nm 晶圆大约 3 万美元，不良率按较低的 20% 计算，每月加工 5 万片 12 寸晶圆，那么 12 个月台积电要为此额外支出费用就是 36 亿美元 (约合人民币 260 亿元)，这笔钱占了 2022 年台积电利润 341 亿美元的 10.6%。

如果上述计算符合实际情况，那么如果要扭转这种 “巨亏” 的局面，台积电唯一能改变的就是良率。

02 良率问题 “扼杀” 贝尔实验室

良率不仅决定台积电这一家企业盈亏，也决定了芯片行业能否按照摩尔定律预测的节奏前进，甚至决定了芯片是否能发明出来。

20 世纪 50 年代，最有可能发明芯片的机构是贝尔实验室，它势力雄厚，人才济济，更重要的是，它拥有发明芯片技术所需的几乎全部基础技术（硅晶体管、光刻、扩散技术、硅晶圆拉伸与提纯等），但却完美地错过了这一载入史册的重大发明，而将芯片的发明拱手让给了当时两家名不见经传的小公司：德州仪器和仙童半导体。

何以至此？从中作梗的，正是良率。

贝尔实验室当时的研发主管莫顿认为，如果将众多晶体管集成起来，那么整体的良率将是每个晶体管良率的乘积。假设一个晶体管的良率是 99%，一颗芯片上有 100 个晶体管，芯片的整体良率将是 100 个 99% 的乘积，即 36%。

如果芯片上有 500 个晶体管，良率将降低到 7/1000。芯片上有 1000 个晶体管呢？良率将再次降低到 4/100000，几乎等于 0。这意味着，芯片规模越大，报废的可能性也越大，就越亏本。

莫顿的同事坦嫩鲍姆也举了一个形象的例子，“你向芯片篮子里放的鸡蛋越多，就越有可能碰到一颗坏的蛋。” 后来当大规模集成电路（Large Scale Integrated-circuits）兴起时，莫顿嘲笑其为 “大规模白痴”（Large Scale Idiot）。

莫顿的分析看似严密，但真的如此吗？

早期影响芯片良率的主要因素之一是空气中的灰尘。当微米尺寸的灰尘落到晶圆表面，就会让当时微米级别的晶体管发生故障。莫顿认为灰尘是平均分布的，但实际上并非如此。可能有些区域没有灰尘，那里的良率可以达到 100%。如果把灰尘颗粒比作射出的箭，将硅晶圆比作靶子，晶体管比作靶心，尺寸越小，被灰尘 “击中” 的概率越低。由于灰尘可能较大，一次损坏多个晶体管，但它们同属于一颗裸芯片，所以只有这一颗芯片被损坏，其他位置的芯片还是好的。这样芯片的良率不是像莫顿估计的那样接近于零。

03 保护脆弱的硅晶圆

与莫顿的严密思维相反，那些 “不信邪” 的小公司德州仪器和仙童半导体等，不断地探索提高芯片良率的方法。

早先，制造厂将芯片制造车间改成成无尘的超净间，通过空气过滤系统使得超净间比医院的手术室还要干净 1000 倍以上。而且，每个进入超净间的人都要穿上严密的防护服（俗称兔子服），从头到脚遮挡起来，避免毛发和汗液影响那些脆弱的硅晶圆。

还远远不够，当前先进工艺车间，几乎已经看不到操作员，只有机器人和机械臂在全自动地完成各项操作。

对良率最有发言权的莫过于台积电的创始人张忠谋。张忠谋早年加入德州仪器时，负责半导体制造业务，为 IBM 代工的电晶体，当时的良率只有 2%-3%，而在张忠谋的操刀之下，这一良率提升至 20% 以上，超过客户 IBM 自有产线。后来张忠谋回忆，自己 “立了大功，被公司送到斯坦福念博士”，解决良率问题，应是其在德州仪器 “大功” 之一。

良率还关乎摩尔定律前进的节奏。如果电路设计师将晶体管尺寸设计得比摩尔定律预计得还要小，那么晶圆厂加工困难，就会让良率遭受打击，让成本飙升，苹果的 A17 Pro，应该属于这一类问题。

所以芯片更新换代并不是越快越好，而是要符合成本最低的原则。可以这样理解，良率决定了芯片的成本，而成本下降的速度决定了芯片更新换代的快慢，即摩尔定律的节奏。

当前，一整块制成的晶圆已经高达数万美元，良率稍有降低，就会急剧提升成本，所以业界对良率的追求变得更加急迫。

提高良率的一个新趋势是采用更小的裸芯片。还是射箭的例子，如果将中 10 环靶心比作裸芯片，同样的，裸芯片面积越小，被损害的概率也越小，小芯片技术（chiplet）应运而生——将一大块裸芯片拆分成许多小芯片，让每颗小芯片的面积更小，良率提高。然后再将许多小芯片在硅晶圆以及基板上封装在一起，做出一块更大的芯片。

今年 6 月苹果发布的 M2 Ultra 就是用两块较小的 M2 Max 芯片拼在一起，确切地说是用 2.5D 封装技术实现的，所以也就有了 “胶水芯片” 的外号。

04 台积电的生死之战

2 个月前，有消息称台积电 3nm 工艺的良率仅为 55%，最新消息是 70-80%，这是一个不错的进步。如果在未来的几个月内，台积电能继续将良率提高到 90% 甚至 95% 以上，废片带来的成本问题就会大幅降低。

假设 3nm 的良率能提高到 95%，那么台积电需要额外支付的成本将从 36 亿美元降低到 9 亿美元。如果良率达到 98%，那么台积电的额外成本将被进一步压缩到 3.6 亿美元。

那样的话，结论就会反转，台积电由于良率提高而节省下来的 30 多亿美元成本将不再是软肋，而是铠甲。

改善良率压缩成本提高利润率符合正常的商业逻辑，但不能完全解释台积电要替客户埋单废片的事情，所以也可以从整个行业的视角来台电的这一反常举动。

一个信号是，三星于去年 6 月份正式宣布其已开始大规模生产基于 3nm GAA 制程工艺技术的芯片，作为对比，台积电的 3nm，晚了一年，且用的还是 FinFET 工艺。

在不考虑三星良率的情况下，摆在苹果等一众客户面前的 3nm 制造商的选择，有两个，三星和台积电，而台积电在先进工艺的代工上已经有了一家独大的势头。此前，6 月份，有传言称台积电已经和包括苹果、英伟达这些核心客户沟通，2024 年开始涨价 3%-6% 不等，尽管台积电对此表示不予置评。

当初苹果基于供应链安全，选择台积电而放弃三星的动作，在时空变换之后，慢慢显现出对调之势，这个时候如果三星能够拿出良率、产能都有保证的 3nm 解决方案，“去台积电化” 就将成为定局。所以，当时行业里也有一个观点，台积电和三星的 3nm 之争，说的是 “既分高下，也决生死”，这个是值得关注的。

所以，对于台积电来说，在 3nm 上守住苹果这个客户，也就等于守住了三星。

另外，也不要忘了英特尔，它手中的 Intel 3 工艺也是 2024 年量产，号称可以超过台积电的 3nm，而它当年也被台积电 “横刀夺爱”。

本文作者：《芯片简史》作者汪波，来源：，原文标题：《台积电与苹果 “对赌” 3nm 芯片，和三星决 “生死”》

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